《千亿个太阳》：恒星的诞生、演变和衰亡

2017-8-4 08:20| 发布者: 采编员| 查看: 775| 评论: 0|原作者: 曾星智|来自: 新浪博客

摘要: 《千亿个太阳》：恒星的诞生、演变和衰亡笔记/曾星智，一个跨学科思想的专业投资者，公众号：ztouzi 　　在晴朗的晚上，当我们抬头望向夜空，吸引我们的是那些最璀璨的星星，以为越大、越亮的星就是最好的星。而事 ...

《千亿个太阳》：恒星的诞生、演变和衰亡笔记/曾星智，一个跨学科思想的专业投资者，公众号：ztouzi 　　在晴朗的晚上，当我们抬头望向夜空，吸引我们的是那些最璀璨的星星，以为越大、越亮的星就是最好的星。而事实上呢？在所有恒星中，质量越大、星光越亮、温度越高的恒星，却是越年轻的，同时它的生命越短暂的。太阳的寿命有70亿年，而有10个太阳那么重、比太阳亮1万倍的角宿一星，其寿命却只有几百万年，相比太阳而言几乎可以说是夭折。　　现在天文学中依然存在着一个潜伏的危机，它就是中微子，在氢聚变成氦使附带产生的。它以光速运动，而且可以穿越地球或我们的身体，而我们却不会有任何感觉。恒星是宇宙中的物质演变而来的，它也不是永恒，寿命有长有短，最后又会把自己的物质散发回宇宙，或者坍塌成一个黑洞。宇宙中和地球上一样，物质守恒轮回，在不停的变化中世界才呈现得如此有序。　　看起来，一颗星的命运要么以老老实实冷却的白矮星，要么以中子星而结束。后一种情况是，在其最初阶段则发出射电脉冲，而当物质由于某种原因落到它上面时，就表现为X射线星。一颗星演化到结束时如果剩下质量太多，多到既不能形成白矮星，也不能成为平衡态中子星，那么，这种残余天体的下场就是在黑洞里永远地坍缩下去。恒星的结局是致密天体，其中的物质永远处在一起。不过在此以前它们把一部分质量抛向空中，这就为新一代恒星的诞生准备了物质基础。恒星几乎总要变成致密天体，那么，归根到底恐怕宇宙中的一切物质都要缩聚为冷却中的白矮星、中子星或者黑洞，而围绕它们死气沉沉地运转的则是僵冷的行星。 1、三种类型的恒星　　“至此我们已经知道了性质截然不同的三种类型恒星：　　“正常恒星（暂时我还可以这样来称呼它们），如太阳、太狼A以及御夫座中的热子星。它们的平均密度为每立方厘米十分之几克到几克。　　“白矮星，它们的平均密度特别高，达到每立方厘米1000公斤。　　“超巨星，它们的密度只有每立方厘米百万分之一克。　　“虽然这三类恒星即使在最大的望远镜中都是以很小的光点出现，除了颜色和亮度有些区别外，初看起来都是一样的，然而对它们所进行的肤浅的研究也使我们了解到，恒星世界有各种各样的表现形式。”（P17） 2、恒星随时间的推移而演化　　“图中不同星团的恒星所在的主序是用一条加重的曲线表示。我们可以看到，所有的星团都占有一段共同的主序，但各个星团中较亮的星都在不主序上，而是在向右转折的分支上。不同星团是在主序的不同位置向右转折的。由于沿着主序向上恒星的质量变大，所有又可以说，在一个星团内小于某一质量的恒星是主序星，而大于这个质量的主序部分就没有恒星分布了。这个观测结果最终使我们明白了恒星是随时间的推移而演化的。　　“当一颗恒星随时间演化变老时，它的性质也在不断地产生变化。特别是它的表面温度和光度也在变化。于是在赫罗图中该恒星的对应点将随时间而移动。例如，假若有一颗恒星开始时是红巨星，经过上百万年以后，它演化成一颗白矮星，于是它在赫罗图上的对应点将由右上方移到左下方。假如我们是长寿的生物，能够在100万到10亿年的长时间内不断重复地测量这颗恒星，并在赫罗图中画出它的对应点，那么我们就可以看到这颗恒星的对应点也在不断地变动。我们将看到它在一定的区域内运动得很快，而在其他的区域内又运动得很慢。”（P29、31、32）　　“我们联想到太阳本身也是一颗主序星。我们知道太阳已有几十亿年几乎没有变化，也就是说，它是主序星已有几十亿年了。我们已经看到，储藏在太阳内的氢是能够补偿它这么长时间的向外辐射。也许所有的主序星的向外辐射都是由氢的聚变来负担？或是因为能源是如此丰富，使得太阳长期不变，而且很可能这就是为什么在赫罗图中恒星都聚集在主序上的原因？我们不妨假设，所有主序星的向外辐射都是靠氢聚变为氦来补偿。以前我们已经计算过太阳和角宿一能够辐射多久。假定恒星知道的70%的氢，并且只要10%的氢发生了聚变，就能明显地感到核燃料快耗完，那么我们认为太阳的寿命是70亿年。而质量为10个太阳质量和光度约为10000倍太阳光度的角宿一只能照旧向外辐射几百万年。用同样的方法我们可以计算每一颗主序星依靠氢的聚变能够维持它向外辐射的时间。……主序星的质量越大，辐射的能量越多，同时它所储存的氢能维持的时间就越短。　　“如果一个人将他的一生致力于恒星研究，他会感到，恒星和人多么相似。例如在这里也同样是质量越大，期望得到的寿命就越短。”（P33-34） 3、氢聚变为氦时附带产生的中微子　　“我们用计算机得到的太阳模型的性质和观测到的现象相一致，球状星团的赫罗图也表明，对太阳未来的预测也是正确的，虽然这个预测对人类来讲并不很乐观。对于天体物理学家来说，好像一切都是正常的。但有一件美中不足的事情不断被核物理学家所谈论，他们甚至认为对恒星演化的看法可能不完全正确，计算机模型也许是错误的。　　“产生这种怀疑的态度是由于一种不显眼的基本粒子。这种基本粒子是在氢聚变为氦时附带产生的。它对于太阳并无实际意义。这个怀疑是由在美国南达科他一个被遗弃的金矿里所进行的一项实验所引起。　　“这种粒子就是中微子。它是呈电中性的，实际上也没有质量，它以光速运动。在描述质子-质子-链时我们已经看到，每当两个氢核发生聚变时，就会释放出一个正电子和一个中微子。正电子很快和一个负电子结合并产生一个光量子，而中微子不和任何其他粒子反应，因而它不被任何物质偏转，它从产生地以光速沿着直线飞去。周围的太阳物质对于中微子毫无影响。对于一旦形成的粒子来说，可把太阳物质看作不存在。为了躲避一个朝我们飞来的中微子，我们需要躲在一堵墙的后面，这堵墙的厚度若是以公里为单位，那么需要用一个15位的数字来表示。幸运的是，我们不需要对中微子进行防护，因为当它们穿过我们时，不会损伤身体的任何一个原子。”（P79-80） 4、演化后期的恒星：氦燃烧、物质损失　　“由于氦核表面的氢变为氦，使得氦核不断地吞入质量，它使中心的密度和温度上升，于是光子和电子很快产生中微子对，并使得内部的一部分能量被中微子直接带走。由于中微子的作用，使中心区域变冷。恒星的中心点在一般情况下应该是最热的，但现在由于中微子的致冷作用，使得恒星中心点的温度低于氦球内其他区域的温度。而氦很快就在温度最高的区域内开始燃烧。由于氦的聚变是在高密度情况下进行的，它会燃烧得非常迅猛，这就是氦闪跃。不过即使在氦燃烧进行得非常迅猛，人们也不应该相信，在太阳（假定有朝一日太阳变到这一步）的外部会有明显的感觉。由于太阳的惯性可以使内部产能率短时间的增大而在外部仅有很小的影响。氦燃烧在200年时间里进行得很剧烈，然后它又逐渐回复为平稳的燃烧。”（P107-108）　　“太阳在主序阶段只损失了很少的物质，而演化后期的恒星会损失更多的物质。很多红巨星的表面都有气体流到宇宙中去。对于它的机制我们至今还不很清楚，即便是太阳风的严格理论至今也还没有。不过我们可以测量流出物质的速度，并估算恒星的物质损失。这样可以知道有些恒星的物质损失率比太阳大100万倍。在很多情况下恒星的物质损失十分严重，致使恒星在1亿年时间能够将总质量的相当部分都推到宇宙中去。　　“不仅红巨星会损失物质，而且刚刚才离开主序的大质量热星也有气体流到宇宙中去。这些恒星的星风速率特别大，物质往往能以每秒2000至3000公里的速度飞出去。　　“有些恒星在演化过程中有很大的物质损失，但并不意味着我们关于恒星演化的概念都必须修正。对于演化到后期的大质量星来说，1亿年仍然是一个很长的时间，它比氦在中心区域开始燃烧到燃烧完毕所需的时间要长得多。对于类太阳恒星，只有当它已经变成红巨星时，才会有一些物质损失。而正是这个物质损失使我们能解释球状星团的水平分支。”（P113-114） 5、黑洞，没有任何光线能够逃离　　“……假定在一次宇宙空间实验中我们能够小心地把中子物质移到它的表面上，使这颗中子星的质量增长。那么，这颗星的半径又会随着质量的增加而缩小，这种现象就是引力大大超过压力的反映。当这个天体的质量增长到大约有太阳的两倍时，它就会发生迅猛坍缩，需要的时间远远小于一秒钟。……引力愈变愈强，要不了多久压力便再也起不了什么作用，这一天体将永久地坍缩了。”（P196）　　“当我们这颗中子星的物质顶不住强大引力而发生坍缩时，引力使光线偏转的现象就显得突出。让我们来设想，如果我们能够逐步跟踪事态的发展，将会看到什么。起初中子星还处在平衡状态。由于它那强大的引力场，它表面附近的光线弯曲现象就已经可以察觉。由表面斜向上方发出的一条光线开头显然弯了过来，而到了离开强引力区足够远处以后，就沿直线继续奔向宇宙远方。　　“中子星的质量一点一点地增加，内部压力无济于事，坍缩过程开始，引力愈来愈强。时过不久，光线弯曲的程度变得如此强烈，一条沿切线方向离开它表面的光线要绕它转上好几圈才能逃奔远方。光线愈来愈难以和引力较量，当这个坍缩着的天体（假定它的质量已达太阳的3倍）小到半径为8.85公里时，就再也没有什么能够离开它的表面往外逃脱了。发出来的每一条光线都被引力拉得那么弯曲，直至转回这个天体为止。这种天体发出的光量子都落了回来，就像地球上人们往上抛石子一样。没有任何光线能把此星蒙难史的信息传递到外界来。这种天体称为黑洞。”（P196）　　“一个天体失落在一个黑洞中决不是它在宇宙中消灭了。它的引力使它仍旧可以被外界所察觉。光线贴近它就被它捕获，在它周围较远处传越的光线则发生方向变更。它能够用它的引力和别的天体组成力学系统，能够控制住一批行星，还能够和另外一颗星结成一对双星。”（P197）　　“看起来，一颗星的命运要么以老老实实冷却的白矮星，要么以中子星而结束。后一种情况是，在其最初阶段则发出射电脉冲，而当物质由于某种原因落到它上面时，就表现为X射线星。　　“一颗星演化到结束时如果剩下质量太多，多到既不能形成白矮星，也不能成为平衡态中子星，那么，这种残余天体的下场就是在黑洞里永远地坍缩下去。　　“恒星的结局是致密天体，其中的物质永远处在一起。不过在此以前它们把一部分质量抛向空中，这就为新一代恒星的诞生准备了物质基础。恒星几乎总要变成致密天体，那么，归根到底恐怕宇宙中的一切物质都要缩聚为冷却中的白矮星、中子星或者黑洞，而围绕它们死气沉沉地运转的则是僵冷的行星。看起来似乎宇宙是在走向枯燥乏味的未来。”（P198） ------------------------------------------------------- 《千亿个太阳》：恒星的诞生、演变和衰亡 Hundert Milliarden Sonnen: Geburt, Leben und Tod der Sterne [德]鲁道夫.基彭哈恩Rudolf Kippenhahn 1980年初版于德国湖南科学技术出版社

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